專利名稱：電阻輸入電阻輸出型安全柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及了一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)二次儀表，特別是一種采用線性光耦實(shí)現(xiàn)的電阻
輸入電阻輸出型安全柵，更具體說(shuō)是一種將來(lái)自危險(xiǎn)場(chǎng)合的電阻信號(hào)，經(jīng)過(guò)限能電路，輸入 電路對(duì)信號(hào)處理，再通過(guò)線性光耦進(jìn)行隔離，最后轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)輸出至安全區(qū)的電阻輸 入電阻輸出型安全柵。
背景技術(shù)：
安全柵是本安系統(tǒng)中危險(xiǎn)區(qū)電器儀表設(shè)備的關(guān)聯(lián)設(shè)備，用以限制危險(xiǎn)場(chǎng)所電路能 量，來(lái)實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)設(shè)備的防爆作用。當(dāng)本安防爆系統(tǒng)的本安儀表發(fā)生故障時(shí)，安全柵能將串入 到故障儀表的能量限制在安全值以內(nèi)，從而確?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。安全柵廣泛 應(yīng)用于防爆領(lǐng)域的工業(yè)儀表前端信號(hào)處理，對(duì)提高工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的抗干擾能 力，保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性有非常重要的作用。 現(xiàn)在越來(lái)越多的用戶采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，要求安全柵具有快速響應(yīng)的功能， 而現(xiàn)有的來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻信號(hào)輸入電阻信號(hào)輸出的智能數(shù)字型安全柵響應(yīng)時(shí)間比較慢，智能數(shù) 字型安全柵與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)二者工作時(shí)間不匹配，滿足不了現(xiàn)場(chǎng)的需要，因此安全柵具有 快速響應(yīng)功能勢(shì)在必行。

發(fā)明內(nèi)容發(fā)明目的本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具 有快速響應(yīng)功能的電阻輸入電阻輸出型安全柵。
技術(shù)方案本實(shí)用新型公開(kāi)了一種電阻輸入電阻輸出型安全柵，其包括 限能電路，用于將安全柵內(nèi)輸入到儀表的能量限制在安全值以內(nèi)； 供電單元，用于為安全柵供電； 含有被測(cè)電阻的輸入信號(hào)處理單元，用于消除輸入引線電阻誤差； 輸出信號(hào)處理單元，用于反饋信號(hào)到輸入信號(hào)處理單元； 還包括線性光耦隔離單元，用于在輸入信號(hào)處理單元與輸出信號(hào)處理單元之間進(jìn) 行信號(hào)隔離；所述線性光耦隔離單元包括發(fā)光二極管、反饋光電二極管、輸出光電二極管組 成的線性光耦。 本實(shí)用新型中，優(yōu)選地，所述輸入信號(hào)處理單元采用三線制輸入，第一輸入端和第 二輸入端短接被測(cè)電阻一端，第三輸入端接被測(cè)電阻的另一端。 本實(shí)用新型中，優(yōu)選地，所述輸出信號(hào)處理單元包括取樣電阻、線性光耦、晶閘管， 從取樣電阻取出的電流信號(hào)，通過(guò)線性光耦進(jìn)行信號(hào)隔離，反饋到輸入信號(hào)處理單元，用于 輸入電流激勵(lì)源形成正反饋閉環(huán)控制；其中輸入信號(hào)處理單元的被測(cè)電阻的激勵(lì)源電流值 與晶閘管回路中的電流值相同。 本實(shí)用新型的原理是先將現(xiàn)場(chǎng)電阻信號(hào)，通過(guò)硬件電路將引入的引線電阻消除， 將一個(gè)只與現(xiàn)場(chǎng)電阻成比例的電壓信號(hào)通過(guò)光電隔離器件線性光耦進(jìn)行1:1隔離轉(zhuǎn)換，輸出信號(hào)處理單元再將隔離后的電壓信號(hào)還原成電阻信號(hào)，取用外部輸出端口的電流信號(hào)進(jìn)行1:1隔離，其中輸入激勵(lì)電流源的建立，是通過(guò)將輸出信號(hào)隔離后反饋而來(lái)的，輸入、輸出電路整體是個(gè)閉環(huán)反饋，同時(shí)對(duì)輸入、輸出信號(hào)處理單元的供電電源進(jìn)行隔離處理。保證變換后的信號(hào)、電源、地之間絕對(duì)獨(dú)立。 有益效果本實(shí)用新型所述電阻輸入電阻輸出型安全柵具有以下優(yōu)點(diǎn)(l)具有快速響應(yīng)功能；(2)輸出非線性小；(3)輸出穩(wěn)定性好；(4)溫度特性好。本實(shí)用新型最大的特點(diǎn)就是快速響應(yīng)，具有微秒級(jí)的響應(yīng)速度，特別是在高速數(shù)據(jù)采集DCS和PLC系統(tǒng)的接口應(yīng)用中具有廣泛的實(shí)用性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，另外本實(shí)用新型將輸出信號(hào)反饋到輸入端，用于電流激勵(lì)源的建立，這一閉環(huán)設(shè)計(jì)使得其輸出非線性小，穩(wěn)定性好，溫度特性好，從而能更好的保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
以下結(jié)合附圖
和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型做更進(jìn)一步的具體說(shuō)明，本實(shí)用新型的上述和/或其他方面的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚。[0016] 圖示為本實(shí)用新型所述安全柵電路原理圖。
具體實(shí)施方式
如圖所示，本實(shí)用新型公開(kāi)了一種電阻輸入電阻輸出型安全柵，包括限能電路，用于限制安全柵內(nèi)輸入到儀表的能量值；供電單元，用于為安全柵供電；含有被測(cè)電阻Ri的輸入信號(hào)處理單元，用于消除輸入引線電阻誤差；線性光耦隔離單元，用于在輸入信號(hào)處理單元與輸出信號(hào)處理單元之間進(jìn)行信號(hào)隔離；輸出信號(hào)處理單元，用于反饋信號(hào)到輸入信號(hào)處理單元；所述線性光耦隔離單元包括發(fā)光二極管Da、反饋光電二極管Db、輸出光電二極管Dc組成的線性光耦U7。所述輸入信號(hào)處理單元采用三線制輸入，第一輸入端lRIn和第二輸入端2RIn連接被測(cè)電阻Ri —端，第三輸入端3RIn連接被測(cè)電阻Ri的另一端。所述輸出信號(hào)處理單元包括取樣電阻R5、線性光耦U8、晶閘管Q2，從取樣電阻R5取出的電流信號(hào)，通過(guò)線性光耦U8進(jìn)行信號(hào)隔離，反饋到輸入信號(hào)處理單元，用于輸入電流激勵(lì)源形成正反饋閉環(huán)控制；其中輸入信號(hào)處理單元的被測(cè)電阻Ri的激勵(lì)源電流值與晶閘管Q2回路中的電流值相同。 根據(jù)具體地說(shuō)，本實(shí)用新型包括限能電路、輸入信號(hào)處理單元、線性光耦信號(hào)隔離
單元、輸出信號(hào)處理單元和電源部分。 1、限能電路 限能電路就是個(gè)限壓限流網(wǎng)絡(luò)，將串入到故障儀表的能量限制在安全值以內(nèi)，該安全柵經(jīng)國(guó)家級(jí)儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗(yàn)站審查，防爆安全性能符合GB3836. 1和GB3836. 4國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求，防爆標(biāo)志為Ex(ia) II C，具體電路這里就不多贅敘。[0021] 2、電源部分 電源輸入時(shí)先經(jīng)過(guò)濾波，過(guò)濾掉電源上的干擾，同時(shí)也過(guò)濾掉安全柵對(duì)外部的干擾。電源采用開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源就是用通過(guò)電路控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高速的道通與截止.將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓，輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路，控制P麗占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的，從而次級(jí)可以產(chǎn)生所需要的多組隔離電壓，通過(guò)整流、濾波后分別供給輸入信號(hào)處理單元、輸出信號(hào)處理單元，實(shí)現(xiàn)輸入、輸出、電
源三部分之間絕對(duì)隔離。 3、輸入信號(hào)處理單元 直接測(cè)量并傳輸電阻信號(hào)的安全柵現(xiàn)場(chǎng)使用很方便，但會(huì)帶來(lái)引線誤差，所以首先應(yīng)該采取辦法消除這個(gè)測(cè)量誤差。 如圖所示，本實(shí)用新型采用三線制輸入，輸入的lRIn、2RIn端短接被測(cè)電阻Ri —端，3RIn端接電阻的另一端，引線電阻為r，激勵(lì)電流為Ii，運(yùn)算放大器Ul正輸入端電壓為Ua'，運(yùn)算放大器U2正輸入端電壓為Ua，負(fù)輸入端電壓為Ub，輸出端電壓為Uo，電阻R1、電阻R2、電阻R3配合使用，使得運(yùn)放對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行1:1跟隨變化，可知Ua' = Ua[0026] Ua-Ub = Ub-Uo[0027] 而Ua， = 2Ii r+Ii Ri[0028]Ub = Ii r+Ii Ri[0029] 則Uo二Ii'Ri 此時(shí)，Uo的大小只與被測(cè)量電阻值Ri成正比例關(guān)系，與引線電阻r無(wú)關(guān)，也就是采用了硬件方法將引線電阻消除了。將此電壓信號(hào)Uo送往后繼隔離單元。運(yùn)算放大器U1與負(fù)輸入端與運(yùn)算放大器U2的負(fù)輸入端之間連接電阻R1，運(yùn)算放大器U2的輸出端與負(fù)輸入端之間連接電阻R2，輸出端與線性光耦隔離單元之間連接電阻R3。[0031] 4、線性光耦隔離單元 隔離單元是決定產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的重要單元。 智能數(shù)字型安全柵采用單片機(jī)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、輸出等操作需要工作時(shí)間，輸入到輸出的階躍響應(yīng)時(shí)間至少300ms，若后繼是高速數(shù)據(jù)采集DCS和PLC系統(tǒng)的接口 ，系統(tǒng)采樣時(shí)間最多在100ms左右，此時(shí)智能數(shù)字型安全柵的輸出信號(hào)尚未完全建立，勢(shì)必造成系統(tǒng)采樣值不準(zhǔn)確；而線性光耦的響應(yīng)速度極快，其響應(yīng)延遲時(shí)間只有10 ii s左右，采用線性光耦實(shí)現(xiàn)電阻輸入電阻輸出型安全柵輸入到輸出的階躍響應(yīng)時(shí)間小于O. 5ms，非常適于對(duì)響應(yīng)速度要求很高的場(chǎng)合。 模擬信號(hào)隔離的一個(gè)比較好的選擇是使用線形光耦。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒(méi)有差別，只是將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變，增加一個(gè)用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個(gè)光接受電路都是非線性的，但兩個(gè)光接受電路的非線性特性是相同的，這樣就可以通過(guò)反饋通路的非線性來(lái)抵消直通通路的非線性，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)線性隔離的目的。 三極管Ql和運(yùn)放U3用來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流If的大小，線性光耦U7由發(fā)光二極管Da、反饋光電二極管Db、輸出光電二極管Dc組成。當(dāng)Da通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流If時(shí)，發(fā)出紅外光(伺服光通量)。該光分別照射在Db、 Dc上，反饋光電二極管吸收Db光通量的一部分，從而產(chǎn)生控制電流Ii(^二 0.005If)。該電流用來(lái)調(diào)節(jié)If以補(bǔ)償Da的非線性。輸出光電二極管Dc產(chǎn)生的輸出電流^與Da發(fā)出的伺服光通量成線性比例。令伺服電流增益I^ = I乂If，正向增益1(2 = 12/%，則傳輸增益1(3 = IV^ = VIA的典型值為1，即進(jìn)行1:1信號(hào)隔離傳輸。 另外線性光耦的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到線性光耦輸入端的噪聲電壓會(huì)很小，只能形成很微弱的電流，由于沒(méi)有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉。 線性光耦的輸入回路與輸出回路之間沒(méi)有電氣聯(lián)系，也沒(méi)有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過(guò)光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生。 線性光耦可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)榫€性光耦的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。本實(shí)用新型所述的線性光耦可以在市場(chǎng)購(gòu)得。[0039] 5、輸出信號(hào)處理單元 輸出信號(hào)處理單元如附圖所示，輸入信號(hào)Uo通過(guò)光電隔離器件線性光耦U7進(jìn)行1:1隔離轉(zhuǎn)換，電阻R4是用來(lái)確定放大倍數(shù)的，本實(shí)用新型選擇放大1倍，運(yùn)放U5對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行l(wèi):l跟隨處理，輸出信號(hào)[0041]Ul = Uo = Ii Ri[0042] 而Ul = U2 = Uout 濾波電容C3設(shè)置在輸出端Uout與地之間，使得輸出信號(hào)更平滑。輸出信號(hào)處理單元的取樣電阻R5取用后繼輸出端口的電流信號(hào)Io，通過(guò)線性光耦U8進(jìn)行1:1信號(hào)隔離，反饋到輸入信號(hào)處理單元，用作輸入電流激勵(lì)源的建立，整體相當(dāng)于是個(gè)正反饋閉環(huán)控制，這是整個(gè)安全柵電路設(shè)計(jì)的精妙之處，三極管Q3和運(yùn)放U9用來(lái)調(diào)節(jié)反饋回路的線性光耦的驅(qū)動(dòng)電流If，電阻R8是用來(lái)確定放大倍數(shù)的，本實(shí)用新型選擇放大1倍，即取R7 = R8，運(yùn)放U4對(duì)信號(hào)進(jìn)行1:1跟隨處理，因此流過(guò)輸入端被測(cè)電阻的激勵(lì)源電流值與晶閘管Q2回路里的電流值大小一致，也與輸出回路中的電流值大小一致，即Ii = Io ;輸出端口電壓為Uout，輸出回路電流為Io，則輸出端口等效電阻Ro = Uout/Io = Ii Ri/I = Ri ;輸出的電阻值Ro大小等同于輸入的電阻值Ri，并且是相互隔離的信號(hào)；濾波電容C2設(shè)置在電阻R8前端并與地連通；電阻R6為反饋回路的取樣電阻，二極管Dl可以產(chǎn)生IV左右的壓降，減小晶閘管Q2的發(fā)熱量，電容C1連接在輸出信號(hào)處理單元與安全柵三線制輸入的1Rin端與3Rin端之間，可以使反饋電流更穩(wěn)定。運(yùn)放U6和晶閘管Q4組成輸出的恒流源，保證負(fù)載在允許工作條件內(nèi)，輸出信號(hào)不隨負(fù)載的變化而變化。
該輸出信號(hào)處理單元的優(yōu)點(diǎn)是輸出非線性小；輸出穩(wěn)定性好；溫度特性好。[0045] 本實(shí)用新型電路的輸出電阻值由采樣電阻R5和晶閘管Q2的內(nèi)阻決定， 一般M0S管內(nèi)阻為10歐，如果采樣電阻取50歐，則本實(shí)用新型電路的最小輸出電阻值為60歐。[0046] 電阻輸出傳輸精度和激勵(lì)電流的大小有關(guān)系[0047] 激勵(lì)電流0. 5 5mA時(shí)，輸出電阻誤差小于0. 05歐；[0048] 激勵(lì)電流0. 2 0. 5mA時(shí)，輸出電阻誤差小于0. 1歐；[0049] 激勵(lì)電流小于0. 2mA時(shí)，輸出精度隨激勵(lì)電流減小而下降。 本實(shí)用新型提供了一種電阻輸入電阻輸出型安全柵的思路及方法，具體實(shí)現(xiàn)該技術(shù)方案的方法和途徑很多，以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部份均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求一種電阻輸入電阻輸出型安全柵，包括限能電路，用于限制安全柵內(nèi)輸入到儀表的能量值；供電單元，用于為安全柵供電；含有被測(cè)電阻(Ri)的輸入信號(hào)處理單元，用于消除輸入引線電阻誤差；輸出信號(hào)處理單元，用于反饋信號(hào)到輸入信號(hào)處理單元；其特征在于還包括線性光耦隔離單元，用于在輸入信號(hào)處理單元與輸出信號(hào)處理單元之間進(jìn)行信號(hào)隔離；所述線性光耦隔離單元包括發(fā)光二極管(Da)、反饋光電二極管(Db)、輸出光電二極管(Dc)組成的線性光耦(U7)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻輸入電阻輸出型安全柵，其特征在于，所述輸入信號(hào)處 理單元采用三線制輸入，第一輸入端(lRIn)和第二輸入端(2RIn)連接被測(cè)電阻(Ri) — 端，第三輸入端(3RIn)連接被測(cè)電阻(Ri)的另一端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻輸入電阻輸出型安全柵，其特征在于，所述輸出信號(hào)處 理單元包括取樣電阻(R5)、線性光耦(U8)、晶閘管(Q2)，從取樣電阻(R5)取出的電流信號(hào)， 通過(guò)線性光耦(U8)進(jìn)行信號(hào)隔離，反饋到輸入信號(hào)處理單元，用于輸入電流激勵(lì)源形成正 反饋閉環(huán)控制；其中輸入信號(hào)處理單元的被測(cè)電阻(Ri)的激勵(lì)源電流值與晶閘管(Q2)回 路中的電流值相同。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種電阻輸入電阻輸出型安全柵，其包括限能電路，用于將安全柵內(nèi)串入到儀表的能量限制在安全值以內(nèi)；供電單元，用于為安全柵供電；包括被測(cè)電阻的輸入信號(hào)處理單元，用于消除輸入引線電阻誤差；線性光耦隔離單元，用于在輸入信號(hào)處理單元與輸出信號(hào)處理單元之間進(jìn)行信號(hào)隔離；輸出信號(hào)處理單元，用于反饋信號(hào)到輸入信號(hào)處理單元；所述線性光耦隔離單元包括發(fā)光二極管、反饋光電二極管、輸出光電二極管。本實(shí)用新型所述電阻輸入電阻輸出型安全柵具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)具有快速響應(yīng)功能；(2)輸出非線性小；(3)輸出穩(wěn)定性好；(4)溫度特性好。
文檔編號(hào)H02H9/00GK201450323SQ20092004072
公開(kāi)日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者董健, 韓紹盈 申請(qǐng)人:南京優(yōu)倍電氣有限公司